论文部分内容阅读
【摘 要】隧道混凝土衬砌质量问题包括塌方、渗水、漏水及开裂等，因此，采用合适的方法对隧道混凝土衬砌质量进行检测是十分必要的。隧道混凝土衬砌质量检测方法有钻孔法、冲击回波法、激光断面仪检测法、超声波检测法及探地雷达法，本文以实际工程为例，重点介绍探地雷达法在隧道混凝土衬砌质量检测中的应用。它是近些年以来在我国工程建设中逐步发展起来的新生技术，但是随着科技的发展，现在已在许多领域得到广泛地应用，并取得了一定的效果。
【关键词】探地雷达技术；隧道混凝土；无损检测
引言
探地雷达是用于探测地下物的一种无损检测技术，国外最早应用于土木工程领域是在1974年。我国自20世纪90年代初开始应用，至今已将近30年。
目前探地雷达被广泛应用于工程建设领域，包括市政、考古、建筑、铁路、公路、环境、地质与水文、电力、采矿等，近年来，在水利工程检测领域的应用也日渐广泛，主要探测混凝土、岩土内部隐蔽物或缺陷等，如输水隧道衬砌混凝土厚度、内部布筋、线缆分布、脱空、振捣不实区及水库、涵闸底板淘空、内部积水、钢筋布置等。
如邓中俊等将探地雷达法应用到水工隧道质量检测中，用于识别隧道中的不密实和空洞、衬砌与围岩间的脱空、围岩的破碎及空洞等，为探地雷达在隧道的质量检测应用提供参考。
一、探地雷达的组成及工作原理
1、探地雷达的组成
一般来说，在目前的探地雷达中它主要是由主机、天线和后处理软件构成。这其中主机起到的作用是帮助实现雷达系统的整个控制、数据采集以及处理和显示。
在我国现阶段的公路工程建设中，由于地下介质情况比较复杂，我们在探测到的数据资料往往要用后处理软件进行运算，以增强异常区域，利于得出准确结论。
2、探地雷达工作原理（下图）
现在的公路探地雷达在使用中，它主要依据电磁脉冲在地下传播的原理进行具体的工作。
当遇到存在电性差异的地下目标时候，电磁波就会发生反射，然后由地面接收天线接收，再通过对接收到的雷达波进行处理分析，形成一定的平面图形，具体如下，我们根据这个参数就可判断地下物体的结构、位置等。
3、探地雷达检测的优越性
由于电磁波脉冲波宽度窄，因此可以获得高分辨率的反射波图像。可以完成水平垂直方向的连续测量，通过高接收效率的雷达天线，距离采样间隔能够到达1cm的精度，这是探地雷达最突出的优点。
探地雷达采用高频发射器，采样和接收时间很短。电磁波通过天线发射出去后，通过空气耦合穿入地下介质，并在介质中传播，当遇到阻抗时，电磁波发生反射与折射，反射电磁波被天线接收，电磁波信号记录在主机电脑中。
检测过程由于天线不需要接触大地，免去了繁琐的前期布线工作，测线布置灵活，探测速度快，极大地节省人力物力。探地雷达采用剖面探测法检测，通过软件数据处理，结果直观反映地下各介质层位的变化规律和分布情况。
4、检测方法
检测时，紧贴混凝土衬砌的表面设置接收天线和发射天线，高频宽带电磁波经由发射天线，进入混凝土衬砌，当电磁波的传播路径受阻时，比如遇到岩石的断裂面、岩石与混凝土的分界面、空气与混凝土的分界面、混凝土的空隙、钢拱架、钢筋等，电磁波产生反射，再经由接收天线，反射信号被接收机接收。
根据电磁波从发射到接收的时间，可以计算出电磁波的单向路程长度，公式如下：
5、检测成果
混凝土衬砌的厚度：研究表明，隧道围岩与混凝土衬砌的介电常数相差很大，因此，在隧道围岩和混凝土衬砌的分界面，电磁波会产生明显的反射现象，按照上述公式，能够得出混凝土衬砌的厚度。
混凝土衬砌的背部空洞：隧道围岩和空气的介电常数差别明显，若混凝土衬砌的背部存在空洞问题，非常容易反映在探地雷达效果图上。
二、探地雷达技术的应用
1、工程概况
本文选择新岭隧道作为研究对象，包括两个双车道分离式隧道，隧道长度约为1423m，隧道的最大埋深约为156m。Ⅱ类围岩地段，混凝土衬砌的设计厚度为45cm，采用钢筋混凝土；Ⅲ类围岩地段，混凝土衬砌的设计厚度为40cm，采用素混凝土；Ⅳ类围岩地段，混凝土衬砌的设计厚度为30cm，采用素混凝土，设计强度均为25MPa。
2、检测准备
探地雷达系统采用美国GSSI公司SIR-2型，发射天线和接收天线的频率为900Hz，如图1所示，在拱顶及距拱顶中心线平距为2m的两边位置布设测线，沿混凝土衬砌表面，采用连续扫描的方式，通过车载天线进行检测。
3、检测结果及验证
探地雷达剖面图如图2、图3所示，分析和处理探地雷达剖面图，对于存在空洞的区域，进行钻孔检测，并比较探地雷达的检测成果及钻孔检测成果，典型地段的测试结果如下。
（1）K207+100～K207+145，Ⅰ类围岩地段，存在多个小空洞，密实程度不满足要求，混凝土的厚度在20～40cm，空洞的高度在10～25cm，其中部分地段的空洞较大，最大可以达到5m，如图4所示。钻孔检测的混凝土厚度为42cm，空洞的高度为24cm。
（2）K207+150～K207+185，Ⅰ类围岩地段，混凝土厚度在15～25cm，空洞高度在20～25cm。钻孔检测的混凝土厚度为24cm，空洞高度为32cm。
（3）K207+195～K207+240，Ⅰ类围岩地段，全段不密实，存在连续小空洞，每個空洞的范围大概为1m，混凝土的厚度在10～25cm，其中，K207+220处空洞最大，可以达到8m左右，空洞的高度在40cm左右，如图5所示。钻孔检测的混凝土厚度为25cm，空洞的高度为39cm。
（4）K207+255～K207+270，Ⅱ类围岩地段，混凝土厚度在15～30cm，空洞高度在15～45cm，空洞范围在5～6m之间。钻孔检测的混凝土厚度为17cm，空洞高度为50cm。
（5）K207+285～K207+310，Ⅲ类围岩地段，混凝土厚度在5～20cm，空洞高度在20～60cm，空洞范围在12m左右。钻孔检测的混凝土厚度为8cm，空洞高度为65cm。
比较探地雷达检测结果和钻孔检测结果，两种方法的厚度检测误差不超过5%，高度检测误差不超过6%，但是，对于配筋区域来说，混凝土衬砌的检测误差稍大，当空洞高度不超过20cm时，需要相应地提高检测精度。总之，在隧道混凝土衬砌质量检测中，探地雷达法可以提供比较准确的检测成果，满足实际混凝土衬砌质量检测的需求。
三、隧道混凝土衬砌质量问题处理方案
根据实际混凝土衬砌的质量问题，以混凝土衬砌厚度不超过5cm为原则，可以采用如下处理方案。
第一，拱顶混凝土衬砌厚度大于设计厚度的70%，可以使用加气小石子混凝土填筑密实；拱顶混凝土衬砌厚度小于设计厚度的70%，Ⅱ类围岩地段，由于采用钢筋混凝土，可以使用同标号的混凝土进行填筑，Ⅲ类围岩地段和Ⅳ类围岩地段，需要将凿除原有的混凝土，再进行重新浇筑作业。
第二，边拱混凝土承受的荷载较大，如果混凝土衬砌厚度小于设计厚度至少5cm时，就必须将原有的混凝土凿除，再使用全新的钢筋混凝土进行浇筑作业。
结束语
本文主要研究探地雷达法在隧道混凝土衬砌质量检测中的应用，结合实际工程，分析和验证探地雷达的检测成果，研究表明，探地雷达法能够满足隧道混凝土衬砌质量检测的要求。
参考文献：
[1]秦存昌.隧道病害的探地雷达图像检测方法研究[D].南昌大学，2014.
[2]李道欣.公路隧道支护质量无损检测技术研究[D].长安大学，2014.
[3]秦伟.高水压山岭隧道衬砌损伤机理与模型研究[D].重庆交通大学，2014.
[4]张小明.水工隧道衬砌结构的缺陷检测及稳定性分析[D].西南交通大学，2014.
【关键词】探地雷达技术；隧道混凝土；无损检测
引言
探地雷达是用于探测地下物的一种无损检测技术，国外最早应用于土木工程领域是在1974年。我国自20世纪90年代初开始应用，至今已将近30年。
目前探地雷达被广泛应用于工程建设领域，包括市政、考古、建筑、铁路、公路、环境、地质与水文、电力、采矿等，近年来，在水利工程检测领域的应用也日渐广泛，主要探测混凝土、岩土内部隐蔽物或缺陷等，如输水隧道衬砌混凝土厚度、内部布筋、线缆分布、脱空、振捣不实区及水库、涵闸底板淘空、内部积水、钢筋布置等。
如邓中俊等将探地雷达法应用到水工隧道质量检测中，用于识别隧道中的不密实和空洞、衬砌与围岩间的脱空、围岩的破碎及空洞等，为探地雷达在隧道的质量检测应用提供参考。
一、探地雷达的组成及工作原理
1、探地雷达的组成
一般来说，在目前的探地雷达中它主要是由主机、天线和后处理软件构成。这其中主机起到的作用是帮助实现雷达系统的整个控制、数据采集以及处理和显示。
在我国现阶段的公路工程建设中，由于地下介质情况比较复杂，我们在探测到的数据资料往往要用后处理软件进行运算，以增强异常区域，利于得出准确结论。
2、探地雷达工作原理（下图）
现在的公路探地雷达在使用中，它主要依据电磁脉冲在地下传播的原理进行具体的工作。
当遇到存在电性差异的地下目标时候，电磁波就会发生反射，然后由地面接收天线接收，再通过对接收到的雷达波进行处理分析，形成一定的平面图形，具体如下，我们根据这个参数就可判断地下物体的结构、位置等。
3、探地雷达检测的优越性
由于电磁波脉冲波宽度窄，因此可以获得高分辨率的反射波图像。可以完成水平垂直方向的连续测量，通过高接收效率的雷达天线，距离采样间隔能够到达1cm的精度，这是探地雷达最突出的优点。
探地雷达采用高频发射器，采样和接收时间很短。电磁波通过天线发射出去后，通过空气耦合穿入地下介质，并在介质中传播，当遇到阻抗时，电磁波发生反射与折射，反射电磁波被天线接收，电磁波信号记录在主机电脑中。
检测过程由于天线不需要接触大地，免去了繁琐的前期布线工作，测线布置灵活，探测速度快，极大地节省人力物力。探地雷达采用剖面探测法检测，通过软件数据处理，结果直观反映地下各介质层位的变化规律和分布情况。
4、检测方法
检测时，紧贴混凝土衬砌的表面设置接收天线和发射天线，高频宽带电磁波经由发射天线，进入混凝土衬砌，当电磁波的传播路径受阻时，比如遇到岩石的断裂面、岩石与混凝土的分界面、空气与混凝土的分界面、混凝土的空隙、钢拱架、钢筋等，电磁波产生反射，再经由接收天线，反射信号被接收机接收。
根据电磁波从发射到接收的时间，可以计算出电磁波的单向路程长度，公式如下：
5、检测成果
混凝土衬砌的厚度：研究表明，隧道围岩与混凝土衬砌的介电常数相差很大，因此，在隧道围岩和混凝土衬砌的分界面，电磁波会产生明显的反射现象，按照上述公式，能够得出混凝土衬砌的厚度。
混凝土衬砌的背部空洞：隧道围岩和空气的介电常数差别明显，若混凝土衬砌的背部存在空洞问题，非常容易反映在探地雷达效果图上。
二、探地雷达技术的应用
1、工程概况
本文选择新岭隧道作为研究对象，包括两个双车道分离式隧道，隧道长度约为1423m，隧道的最大埋深约为156m。Ⅱ类围岩地段，混凝土衬砌的设计厚度为45cm，采用钢筋混凝土；Ⅲ类围岩地段，混凝土衬砌的设计厚度为40cm，采用素混凝土；Ⅳ类围岩地段，混凝土衬砌的设计厚度为30cm，采用素混凝土，设计强度均为25MPa。
2、检测准备
探地雷达系统采用美国GSSI公司SIR-2型，发射天线和接收天线的频率为900Hz，如图1所示，在拱顶及距拱顶中心线平距为2m的两边位置布设测线，沿混凝土衬砌表面，采用连续扫描的方式，通过车载天线进行检测。
3、检测结果及验证
探地雷达剖面图如图2、图3所示，分析和处理探地雷达剖面图，对于存在空洞的区域，进行钻孔检测，并比较探地雷达的检测成果及钻孔检测成果，典型地段的测试结果如下。
（1）K207+100～K207+145，Ⅰ类围岩地段，存在多个小空洞，密实程度不满足要求，混凝土的厚度在20～40cm，空洞的高度在10～25cm，其中部分地段的空洞较大，最大可以达到5m，如图4所示。钻孔检测的混凝土厚度为42cm，空洞的高度为24cm。
（2）K207+150～K207+185，Ⅰ类围岩地段，混凝土厚度在15～25cm，空洞高度在20～25cm。钻孔检测的混凝土厚度为24cm，空洞高度为32cm。
（3）K207+195～K207+240，Ⅰ类围岩地段，全段不密实，存在连续小空洞，每個空洞的范围大概为1m，混凝土的厚度在10～25cm，其中，K207+220处空洞最大，可以达到8m左右，空洞的高度在40cm左右，如图5所示。钻孔检测的混凝土厚度为25cm，空洞的高度为39cm。
（4）K207+255～K207+270，Ⅱ类围岩地段，混凝土厚度在15～30cm，空洞高度在15～45cm，空洞范围在5～6m之间。钻孔检测的混凝土厚度为17cm，空洞高度为50cm。
（5）K207+285～K207+310，Ⅲ类围岩地段，混凝土厚度在5～20cm，空洞高度在20～60cm，空洞范围在12m左右。钻孔检测的混凝土厚度为8cm，空洞高度为65cm。
比较探地雷达检测结果和钻孔检测结果，两种方法的厚度检测误差不超过5%，高度检测误差不超过6%，但是，对于配筋区域来说，混凝土衬砌的检测误差稍大，当空洞高度不超过20cm时，需要相应地提高检测精度。总之，在隧道混凝土衬砌质量检测中，探地雷达法可以提供比较准确的检测成果，满足实际混凝土衬砌质量检测的需求。
三、隧道混凝土衬砌质量问题处理方案
根据实际混凝土衬砌的质量问题，以混凝土衬砌厚度不超过5cm为原则，可以采用如下处理方案。
第一，拱顶混凝土衬砌厚度大于设计厚度的70%，可以使用加气小石子混凝土填筑密实；拱顶混凝土衬砌厚度小于设计厚度的70%，Ⅱ类围岩地段，由于采用钢筋混凝土，可以使用同标号的混凝土进行填筑，Ⅲ类围岩地段和Ⅳ类围岩地段，需要将凿除原有的混凝土，再进行重新浇筑作业。
第二，边拱混凝土承受的荷载较大，如果混凝土衬砌厚度小于设计厚度至少5cm时，就必须将原有的混凝土凿除，再使用全新的钢筋混凝土进行浇筑作业。
结束语
本文主要研究探地雷达法在隧道混凝土衬砌质量检测中的应用，结合实际工程，分析和验证探地雷达的检测成果，研究表明，探地雷达法能够满足隧道混凝土衬砌质量检测的要求。
参考文献：
[1]秦存昌.隧道病害的探地雷达图像检测方法研究[D].南昌大学，2014.
[2]李道欣.公路隧道支护质量无损检测技术研究[D].长安大学，2014.
[3]秦伟.高水压山岭隧道衬砌损伤机理与模型研究[D].重庆交通大学，2014.
[4]张小明.水工隧道衬砌结构的缺陷检测及稳定性分析[D].西南交通大学，2014.